3D打印机及其在教育中的应用

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3D打印技术是一种新型的快速成型技术，是“第三次工业革命最具标志性的生产工具”，将对社会多个行业和领域带来深刻影响。[1]随着3D打印技术的发展，3D打印在教育领域中的应用受到研究者的关注，一些国家和组织也开始对3D打印的教育应用进行探索。新媒体联盟（NewMedia Consortium, NMC）在2013年地平线报告中提出，3D打印是未来四到五年值得关注的新技术，将带来教学、学习和研究领域的创新。如何有效地将其应用到学习领域，为用户提供学习支持，还有待深入研究。[2] 2012年11月16日在深圳举行的第十四届中国国际高新技术成果交易会将3D打印技术推向了一个高潮。2013年5月30日在北京召开的首届世界3D打印技术产业大会成立了世界3D打印技术产业联盟，标志着3D打印技术真正进入了大规模应用和研究的阶段。目前，在教育领域，特别是中小学基础教育领域3D打印技术的应用还是一个崭新的领域，有许多问题值得研究和探讨。

3D打印的发展历程

2.1 3D打印技术的发展历程

    3D打印（3D Printing）技术，根据其制造工艺又叫增材制造（AdditiveManufacturing，缩写为AM，部分文献翻译为累积制造或积层制造），属于快速成型（Rapid Prototyping Manufacturing ，RPM）技术的一种，源自于19世纪末期美国研究的照相雕塑和地貌成形技术，但受限于当时的技术条件，并未取得突破性的进展。

    上世纪80年代，随着计算机技术、新材料技术的蓬勃发展，3D打印技术取得了长足的进步，1984年美国人CharlesHull研究出根据数字数据打印3D物体的技术并命名为立体平板印刷，并于1986年开发出世界第一台商业3D印刷机，但其商业化、市场化进程缓慢。

    进入21世纪，3D打印技术及其应用得到了迅猛发展，2005年ZCorp公司研发成功世界首台高清晰彩色3D打印机；2008年1月ObjetGe-ometries公司发布全球首例可以实现不同材料同时喷射技术；2010年5月澳大利亚Invetech公司和美国Organovo公司携手研制出了全球首台商业化3D生物打印机，可利用人体脂肪或骨髓组织制作出新的人体组织；2010年11月Urbee推出全球首款3D打印的汽车样车；2011年8月南安普敦大学工程师开发出世界上第一架3D打印的飞机；2011年11月Open 3DP创新小组宣布3D打印在打印骨骼组织上的应用获得成功，利用3D打印技术制造人类骨骼组织的技术已经成熟；2012年7月比利时International University College Leuven的研究组测试了一辆几乎完全由3D打印的小型赛车，其车速达到了140公里／小时；2012年7月全球首支利用3D打印技术制造的手枪“解放者”由美国25岁的大学生CodyWilson研发成功，除手枪撞针外其余部件均采用塑料制造；2013年1月北京航空航天大学教授王华明团队全世界首创用3D打印技术制造飞机钛合金大型主承力构件；2013年7月美国国家航空航天局（NASA）宣布计划于2014年在国际空间站（ISS）部署一台3D打印机，宇航员可用其打印日常生活和工作所需的工具和仪器部件；2013年11月SolidConcepts公司设计并制造出全球首支3D打印金属枪。

    据从事3D打印行业研究的美国咨询机构WohlersAssociates,Inc 统计，2012年3D打印机及其服务市场达到了22亿美元，比2011年增长了29%，呈现出一种快速发展的势头，英国《经济学人》杂志甚至认为它将“与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命”，可见其受市场热捧的程度。

2.2 3D打印机的发展历程

    3D打印机（3D Printers）是一位名为恩里科·迪尼（EnricoDini）的发明家设计的一种神奇的打印机，它不仅可以“打印”出一幢完整的建筑，甚至可以在航天飞船中给宇航员打印任何所需的物品。

    一组不同的3D打印机集合在20世纪80年代中期，SLS被在美国得克萨斯州大学奥斯汀分校的卡尔Deckard博士开发出来并获得专利，项目由DARPA赞助的。1979年，类似过程由RF Housholder得到专利，但没有被商业化。1995年，麻省理工创造了“三维打印”一词，当时的毕业生Jim Bredt和Tim Anderson修改了喷墨打印机方案，变为把约束溶剂挤压到粉末床的解决方案，而不是把墨水挤压在纸张上的方案。

3D打印机的原理与特点

3.1 3D打印机的原理

    3D打印机又称三维打印机，是一种累积制造技术，即快速成形技术的一种机器，它是一种数字模型文件为基础，运用特殊蜡材、粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过打印一层一层的粘合材料来制造三维的物体。现阶段三维打印机被用来制造产品。逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印机的原理是把数据和原料放进3D打印机中，机器会按照程序把产品一层一层造出来。

    3D打印机堆叠薄层的形式有多种多样。3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料，堆叠薄层的形式有多种多样，可用于打印的介质种类多样，从繁多的塑料到金属、陶瓷以及橡胶类物质。有些打印机还能结合不同介质，令打印出来的物体一头坚硬而另一头柔软。

    不同的3D打印机采用不同的打印方式，一般有以下四种：

1．有些3D打印机使用“喷墨”的方式。即使用打印机喷头将一层极薄的液态塑料物质喷涂在铸模托盘上，此涂层然后被置于紫外线下进行处理。之后铸模托盘下降了极小的距离，以提供下一层材料堆叠上来。

2．还有的使用一种叫做“熔积成型”的技术，整个流程是在喷头内熔化塑料，然后通过沉积塑料纤维的方式才形成薄层。

3．还有一些系统使用一种叫做“激光烧结”的技术，以粉末微粒作为打印介质。粉末微粒被喷撒在铸模托盘上形成一层极薄的粉末层，熔铸成指定形状，然后由喷出的液态粘合剂进行固化。

4．有的则是利用真空中的电子流熔化粉末微粒，当遇到包含孔洞及悬臂这样的复杂结构时，介质中就需要加入凝胶剂或其他物质以提供支撑或用来占据空间。这部分粉末不会被熔铸，最后只需用水或气流冲洗掉支撑物便可形成孔隙。

3.2 3D打印机的特点

    3D打印带来了世界性制造业革命，以前是部件设计完全依赖于生产工艺能否实现，而3D打印机的出现，将会颠覆这一生产思路，这使得企业在生产部件的时候不再考虑生产工艺问题，任何复杂形状的设计均可以通过3D打印机来实现。

    3D打印无需机械加工或模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的物体，从而极大地所缩短了产品的生产周期，提高了生产率。尽管仍有待完善，但3D打印技术市场潜力巨大，势必成为未来制造业的众多突破技术之一。

    3D打印使得人们可以在一些电子产品商店购买到这类打印机，工厂也在进行直接销售。科学家们表示，三维打印机的使用范围还很有限，不过在未来的某一天人们一定可以通过3D打印机打印出更实用的物品。

    3D打印技术对美国太空总署的太空探索任务来说至关重要，国际空间站现有的三成以上的备用部件都可由这台3D打印机制造。这台设备将使用聚合物和其他材料，利用挤压增量制造技术逐层制造物品。3D打印实验是美国太空总署未来重点研究项目之一，3D打印零部件和工具将增强太空任务的可靠性和安全性，同时由于不必从地球运输，可降低太空任务成本。

3D打印机在教育中的应用及其作用

4.1 3D打印机在教育中的应用

4.1.1在教育中应用的现状

    由于3D打印机器材高昂的费用，3D打印机现阶段并未在全面普及。但一些比较先进的地区学校已经配置了3D打印机，用于教学。3D打印机一般应用于数学、物理、计算机科学、工程和设计等课程中。

    近年来，很多的高教专业在摸索着创新教学模式，把3D打印系统与教学体系相整合。一方面3D打印机可以提高学生在掌握技术方面的优势，提高学生的科技素养。另一方面利用3D打印机打印出来的立体模型，显著提高学生的设计创造能力。目前在教学中应用最普遍的是SLA和FDM两种3D打印技术。

SLA主要用于制作模型，在国外大学教学领域上用的比较广泛。它的优势有：光固化成型法成熟度高，由CAD数字模型直接制成原型，加工速度快，产品生产周期短，无需切削工具与模具，降低错误修复的成本。可以加工结构外形复杂或使用传统手段难于成型的原型和模具，可联机操作和远程控制。存在的缺陷有：系统造价高昂，使用和维护成本过高，对工作环境要求苛刻。成型件多为树脂类，强度，刚度，耐热性有限，不利于长时间保存。预处理软件与驱动软件运算量大，软件系统操作复杂，入门困难；立体光固化成型技术被单一公司所垄断。

    FDM主要采用丝状材料（石蜡、金属、塑料、低熔点合金丝）作为原材料，目前市场上采用FDM技术较为普遍，有美国MakerBot的Replicator2，金华万豪的Duplicator 3，这款相对比较便宜，一般在4000元到6000元之间。FDM的优势有：操作环境干净、安全可以办公室环境下进行。表面质量较好，易于装配，可以快递构建瓶状或中控零件。原材料以卷轴丝的形式提供，易于搬运和快速更换，材料费用低。可选用多种材料，如可染色的ABS和医用的ABS、PC、PPSE等，材料利用率高。存在的技术缺陷有：精度较低，难以构建结构复杂的零件。做小件或者精细件时不如SLA技术，最高精度0.127mm。与截面垂直的方向强度小。成形速度相对较慢，不适合构建大型零件。

4.1.2在教育中应用的方式

    随着3D打印机逐步降低门槛及应用领域扩大，3D打印机已经进入国内基础教育领域，以下就是3D打印机在国内教学上应用的方式：

(1)数学系的学生可以将他们的“问题”打印出来，并在他们自己的学习空间中寻找答案，比如打印一个几何体，让他们更直观的去了解几何内部各元素之间的联系。

(2)工程设计系的学生可以用它打印出自己设计的原型产品进行测试，研究与探索。

(3)建筑系的学生可以用它简便快速的打印出自己设计的建筑实体模型。

(4)历史系的学生可以用它来复制有考古意义的物品，方便进一步的观察。

(5)平面设计系的学生可以用它来制作3D版本的艺术品以及一些基本的模型。

(6)地理系的学生可以用它来绘制真实的地势图，人口分布图。

(7)食品系的学生可以用它设计食物的产品造型。

(8)车辆工程的学生可以打印各种各样的实体汽车部件，便于测试。

(9)化学系的学生可以把分子模型打印出来观察。

(10)生物系的学生可以打印出细胞、病毒、器官，和其他重要的生物样本。

4.2 3D打印机在教育中的作用

    3D打印技术发展到现在，已经取得了令人瞩目的进步，在众多的领域内都取得了辉煌的成绩。对于教育行业，它的价值就在于它可以得到对事物更直观更理性的研究机会，而这种机会在以前可以说是一个不可能完成的任务。对于3D打印技术可以轻易地打印三维立体的物体这种神奇的特性来说，对其的研究为学习活动的开展提供了新的可能。下面分别从教师和学习者视角分析3D打印机在教育的角色中扮演助推器角色。

4.2.1在教师方面的作用

    教师在教学过程中利用3D打印机打印制作的教学用具，可以扩展学习者的感觉和知觉增强触觉体验，弥补常态课堂直接经验不足的劣势。同时，教师也将隐性知识和认知结构显性化，使学习资料由抽象化转变成为具体化，具体化转变成为形象化，视觉复杂化转变成为认知简单化。这一就能够强化学生的思路使之更加清晰，强化学生的逻辑思维以及理解能力，从而从根本上实现了教师教学改革，也使得学生的学习效率成倍提升。特别是对于中学的老师，3D打印机的出现解决了他们在教授立体几何时，学生想象空间不足的境况。

4.2.2在学生方面的作用

    对于学习者使用3D打印机打印物体获得了有目的的直接经验；应用建模软件制作3D打印模型可以获得设计的经验。这些具体经验对学习者的学习提供了直接的感性认识。3D打印作品通过演示和展览等方式，使学习者获得“观察的经验”，实现学习者在学习过程中的深度参与，从而改善教学效果。3D打印将抽象概念和设计引入现实世界，对教学内容中的某些抽象概念或科学过程进行可视化展现，能够更好地发挥“抽象的经验”在学习中的作用，使学习者获得更多的认知体验，提高思维能力。因此，3D打印能够较好地体现“经验之塔”中三种层次经验的融合，帮助学习者获取学习经验和认知体验，促进学习者立体化地获取和理解知识，拓展创造性思维，从而提高学习效果。